浅析风电并网系统频率响应及控制策略

乌彤 宋金鑫 高伟 蔡晓峰

【摘 要】频率稳定是确保电力系统稳定运行的主要保障，频率出现偏移会对系统设备的正常运行造成严重影响，甚至会引发系统频率崩溃等事故。因此，加强对风电并网系统频率响应特性的深入了解，并对其进行具体分析具有十分重要的现实意义。据此，本文对风电并网系统频率响应及控制策略进行了具体分析。

【关键词】风电并网系统；频率响应；控制策略

一、基于模糊逻辑系统的并网风电场频率响应分析

（一）基于直流潮流的风电并网系统模型简化

1.DFIG机组模型简化。

双馈感应发电机组作为变速恒频发电机组，其具有变速运行特性，可以在较大的风速范围内实现对风能的最大化利用。DFIG通过背靠背的PWM功率变换器接入电网，风机机械功率和系统电磁功率耦控制、风机转速和系统频率实现了解耦控制。现在兆瓦级的风电机组主要采用DFIG，随着DFIG机组的大量并网运行，在发生风速变动较大爬坡事件时，必然会对系统频率的频率响应特性造成影响，因此对DFIG进行模型简化，如图1所示。

2.直流潮流网络结构模型简化。

为了解风电场并网后的系统频率的变化特性，在空滤频率对网络拓扑结构失控分布特性的同时，忽略无功-电压动态变化，采用基于直流潮流的频率响应模型对有功-频率动态变化情况进行分析。采用直流潮流网络结构模型必须满足三个假设条件，即假设各支点电压幅值的标幺值为1.0；忽略支路电阻、充电电容和并联补偿等因素；支路两节点之间的电压相角差很小，可以近似得sinθij ≈ θi - θj。对于传统潮流计算，支路模型一般采用如图2模型进行计算。

3.基于直流潮流的频率响应模型。

根据各元件的简化模型，能够得到基于直流潮流的频率响应模型。发电机组模型是各机组向网络注入功率，为各机组端电压相角。而负荷模型是各非发电机节点向网络注入功率，为各非发电机节点的母线相角，从而形成基于直流潮流的频率响应模型，如图3所示。

（二）基于模糊逻辑系统的并网风电场频率响应推理系统

1.输入变量的确定。

模糊逻辑系统能够通过给定的系统输入和输出数据建立相对应的非线性关系，其对参数变化的线性或非线性对象有着很强的鲁棒性。对随机或未知的输入变量，模糊逻辑系统由于具有输入和输出的非线性映射特性，所以能够更好地应用在风电场并网系统的多变量和非线性的复杂系统中。

2.模糊逻辑系统的组成。

模糊逻辑系统主要是由模糊集合论和信息处理技术结合形成的，是利用模糊概念和模糊逻辑构成的系统。其中常用的主要有纯模糊逻辑系统、高木-关野模糊逻辑系统、具有模糊产生器和模糊消除器的模糊逻辑系统。

3.自适应模糊逻辑推理系统。

为了使模糊逻辑系统可以正确反映风电并网系统的随机性和不确定性，引入控制器调整模糊逻辑系统对不确定项的逼近精度。可以根据系统的功率波动值，把系统分为多个类似的子系统，子系统的划分根据并网系统的实际情况来决定。

二、基于风电场-储能系统的频率联合控制策略

（一）风电场储能系统

1.现代储能技术。

为了确保系统的稳定性，风电并网系统利用同步发电机组提供和风电同等容量的旋转备用会造成巨大的浪费。因为储能系统具有快速响应速度和高效的能量转换效率，在风电并网系统中配置储能系统，能够有效改善风电功率的波动性，从而有利于提高发电系统向用户提供用电的稳定性，提高系统安全运行的稳定性。并且，将储能系统切实应用到风电场，既能够抑制功率波动、缩减输电、转移时间，又能够合理有效控制参与率。现在使用的主要储能方式有通过机械储能方式、电磁储能方式和化学储能方式。

2.储能系统接入方式。

就现阶段储能技术发展现状来看，储能系统接入风电场的方式主要分为散储能和集中储能两种方式。其中分散储能方式主要是将储能装置安装到每台风机的终端，其是以平抑单台风机输出功率波动为主要目标，对应配置的储能系统容量和功率相对较小，能够充分发挥储能装置的功率调节作用。而集中储能方式是将储能系统安装在风电场出口母线处，其主要控制整个风电场的输出功率。

3.储能系统充放电模型。

根据风电的随机和快速变化特性，合理利用储能系统和风电场协调配合为并网系统提供调频功能已经成为未来发展的必然趋势。目前适用于风电场储能系统的主要有电池储能、飞轮储能、超导储能和超级电容器储能。储能系统在系统运行过程一直处于充放电不断变化的状态。现阶段还没有适用于储能系统的、准确的充放电控制模型，储能元件的剩余电量受自放电率和充放电率的影响。

（二）基于风电场-储能系统的频率联合控制策略

1.风电场等效惯性时间常数对于系统频率响应的影响。

传统发电机组是由具有旋转惯量的机械部件所组成的，发电机转速与发电机组的转动惯量之间密不可分。对于风电场并网系统，风力发电机组的出力是由风速决定的，风速的随机变化特性不仅会使风电场的有功出力出现波动，还会导致风力发电机组的运行状态随时发生变化。风力发电机组受风速大小决定切入或切出运行，这使得整个风电场的惯性常数也会随时发生变化。

2.风电场-储能系统频率控制策略。

在风电并网容量达到一定程度时，必须切实考虑风电场对并网系统频率响应特性的影响。利用等值下垂控制系数模型，风电场参与系统的一次调频，微系统提供有功支持。但是，风电场的调频能力会受风速的影响而导致其稳定性降低。因此，可以充分利用储能系统的快速响应特性，弥补风电场的不足，并与风电场相协调、相配合，积极参与到风电场的频率控制中去。风电场-储能系统频率控制示意图如图6。

三、结语

综上所述，随着电力系统复杂程度的不断提高，尤其是风电并网的发展，使得系统的不确定性和非线性迅速增加，在很大程度上很容易诱发频率失稳事故的发生，从而对电力系统的安全运行造成严重影响。相信在控制策略的不断完善下，我国风电并网系统频率的稳定性势必会得到有效提升。

参考文献：

[1]曾飞，张勇，刘玙，张岩，张小易，袁宇波，文福拴.电力系统故障诊断的时序模糊逻辑推理方法[J].华北电力大学学报（自然科学版）.2014（01）.

[2]向荣，王晓茹，谭谨.基于飞轮储能的并网风电场有功功率及频率控制方法研究[J].系统科学与数学.2012（04）.